源阻抗端接的重要性是什么?

电器工程 传输线 阻抗匹配
2022-01-20 06:07:11

给定这样的电路:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

R1的重要性是什么?可以猜想是让BUF1的输出阻抗等于传输线的阻抗,但是为什么这很重要呢?如果省略 R1 会发生什么?另一端的情况如何影响这一点?可能是匹配的负载、开路或短路。也许它是一条有不连续性的传输线。

4个回答

这个想法是信号以有限的速度传播,也就是说,某个信号t从传输线的一端到达另一端需要时间。电缆每单位长度也有一些固有电容/电感,可以用特性阻抗近似(假设无损耗):

\begin{方程} Z_0 = \sqrt{\frac{L}{C}} \end{方程}

这是信号变化时源最初经历的阻抗,信号电平就像 R1 和 Z0 之间的分压电路: \begin{equation} V_s = V_{in} \frac{Z_0}{R_1 + Z_0} \end{方程}

当信号传播到电缆末端时,它会意识到没有任何东西可以倾倒信号能量。信号必须到达某个地方,因此它会从远端反弹并返回到源头。当它到达源极时,源极电压将是原始\$V_s\$的两倍,它将通过 R1 流回源极。

如果\$R_1\$ = \$Z_0\$\$V_S = V_{in}\$并且整个传输线已达到稳定状态,因为不再有能量可以注入或从线路中吸收。这是理想的,因为线路已经达到稳定状态~2t(一个 t 到达目标,一个 t 回到源头)。

如果\$R_1\$太大,\$V_S\$仍将大于\$V_{in}\$,因此源将继续向传输线倾倒能量,传输线的电压将缓慢升高随着信号来回反弹。

如果\$R_1\$太小,当信号返回时\$V_S\$会过冲。在这种情况下,下降沿波将沿线路传播,因为源试图吸收泵入线路的多余能量,并且电压将再次来回反弹,直到达到稳定状态。

在后两种情况下,目标电压可能会多次反弹高于/低于某个数字逻辑电平,因此接收器可能会得到错误的数据位。这也可能对源造成潜在的损害,因为反射信号可能会上升,从而对源造成过大的压力。

现在如果我们在另一边附加一些东西会发生什么,比如电阻\$R_2\$

现在目标可以吸收能量,只有原始信号的一小部分被反射。如果\$R_2 = Z_0\$,我们再次具有匹配的阻抗并且没有信号被反射。

如果\$R_2\$太小/太大,我们将得到与上面类似的反射信号,除了信号被反转。

使用\$R_1 = Z_0\$仍然可以用来防止重复弹跳,但稳态信号电压将是 R1 和 R2 之间分压器的结果。如果\$R_2 = Z_0\$,则没有反射,因此 R1 的值无关紧要。我们不妨选择 R1 = 0,这样目标电压与源电压相同。正如 supercat 指出的那样,您还可以让源驱动一个两倍于目标预期幅度的信号,并且仍然使用\$R_1 = R_2 = Z_0\$

我编写了一个在线传输线模拟器来演示源终止。我发现它对于沿传输线可视化这些信号传播波很有用。选择一个足够大的 R2,您可以近似打开,就像您的情况一样。这仅对无损传输线进行建模,但通常足够准确。

就信号完整性(通过接收器侧的阶跃响应测量)而言,三种配置是相同的(Zsource - Zload):

1) 50 Ohm - 无穷大(源终端)
2) 0 Ohm - 50 Ohm(负载终端)
3) 50 Ohm - 50 Ohm(两端终端)

然而,在第 3 种变体中,幅度下降了 50%。因此,从实际的角度来看,除非有令人信服的理由,否则应避免使用第三种选择。

免责声明:这涵盖了源和接收器之间的单线点对点理想电缆单向通信。如果途中有一个路口,那么使用双端接可能是有意义的——我没有考虑过。

好的,这是对正在发生的事情的冗长但过于笼统的描述......

传输线(又名走线)的阻抗为 50 欧姆,这意味着当信号沿电缆传输时,它看起来像是驱动器的 50 欧姆负载。当它到达走线的末端时,它会反射回来并导致部分走线暂时达到比应有的更高/更低的电压。我们称之为过冲和下冲。

使用 50 Ω 源电阻,电阻加上 50 Ω 走线形成分压器(除以 2)。就在信号到达终点之前,该位置的信号是所需幅度的 50%。就在信号到达终点后,反射与 50% 的原始信号结合并产生完美的 100% 幅度信号。反射返回到源电阻器并被吸收。

位于迹线末端的接收器将看到最完美的信号边缘。但是中间或靠近电阻器的接收器将首先看到 50% 的信号,然后是 100% 的信号。因此,仅当只有一个接收器且该接收器必须位于迹线末端时才使用源端接。

如果电阻器与电线/走线/电缆的阻抗不匹配,则分压器不是 50%——这会导致不完美的匹配,并且反射可能会导致问题。

只要传输线正确端接,R1 并不重要。我经常驱动这样的线路,并在传输线的远端获得良好的接收,但它必须正确终止。